TIG焊焊接管路組件控制氧化工藝研究

王文平 賈春林 張 寬 謝繼香

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TIG焊焊接管路組件控制氧化工藝研究

王文平 賈春林 張 寬 謝繼香

（北京控制工程研究所，北京 100190）

針對衛星用鈦合金和不銹鋼管路連接件TIG焊接過程中出現氧化問題，通過設計新型焊接保護罩，改善保護罩密封性，提高罩內氬氣純度，減少氧化，在此基礎上進一步設計裝夾散熱保護工裝，降低焊接熱影響區溫度，使焊槍流出的氬氣能在焊縫周圍短時間存留，焊接氧化得到了有效控制，最終降低了生產成本，提高了產品焊接質量。

氬弧焊；氧化；工藝；工裝

1 引言

TIG焊（鎢極氬弧焊）是以燃燒于非熔化電極與焊件間的電弧作為熱源，電極和電弧區及熔化金屬用氬氣保護，使之與空氣隔絕，減少氧化。脈沖TIG焊作為TIG焊的一種，因其適宜焊接薄壁管路，焊縫質量高而被廣泛采用。

目前TIG焊主要采用能夠罩住待焊工件的密封外罩，并在外罩的腔體內設有充氣管和冷卻裝置的方式，減少待焊接部位的氧氣含量，并及時增加熱量傳導，減少焊縫周圍氧化。有時也會采用抽真空后充氬的方式保護焊縫，減少氬氣損耗，但是需要焊前等待抽真空，對于需二次裝配的管路組件的焊接較為麻煩，并且配置抽真空系統較為昂貴。本文采用保護罩和裝卡防護工裝相結合的方式減少其附近區域氧化。

2 管路連接件焊接問題及問題分析

2.1 焊接問題

a 鈦合金管路 b 不銹鋼管路

在衛星用單組元和雙組元推進系統中管路連接件一直采用TIG焊接，管路連接件材料有鈦合金和不銹鋼兩種，結構形式為搭接結構，采用保護罩內通氬氣，能隔絕大部分空氣焊接過程中對焊縫質量的影響，一定程度上能夠改善管路焊接氧化，但當焊接材料為不銹鋼時，由于不銹鋼導熱系數大，熱傳導能力強，焊縫熱影響區增大，最終造成焊縫周圍大面積氧化，如圖1所示，需要鉗工耗費大量時間，用布砂輪或者拋光砂紙拋光，增加了人工成本，影響產品生產效率。

2.2 問題分析

分析管路組件的焊接過程：管路組件焊接前，保護罩內預先并持續通99.999%氬氣，降低保護罩內的氧氣含量，使工件整體處于受氬氣保護狀態。焊接過程中，焊槍同時流出氬氣對電極和電弧區及熔化金屬進行進一步保護。

焊后結果：焊縫處受保護程度較好，幾乎無氧化；焊縫周圍出現不同程度的氧化；不銹鋼氧化程度較鈦合金嚴重。

結論：保護罩內氬氣純度不高，保護效果有限；保護罩的密封效果有待改進；不銹鋼的熱傳導性較好，導致熱影響區氧化嚴重；工件熱影響區溫度需控制。

3 解決方法

3.1 新型焊接保護罩的應用

老的焊接保護罩連接部位采用螺釘緊固的方式固定，保護罩連接部位有縫隙，密封性較差，上面板操作窗口的蓋板厚1mm，易導致氬氣從間隙處泄露，工件受保護程度不高，造成工件一定程度上氧化。

新保護罩的設計方案：依據新機床主軸及工件的尺寸，同時為了便于加工，保護罩內尺寸為330mm×240mm×230mm的長方體，其中左右面板為玻璃鋼，用于阻擋焊接弧光，其余采用有機玻璃，便于觀察工件裝夾找正。保護罩箱體結合部位采用螺釘和密封膠進行雙重密封，提高密封效果，并且增加上面板操作窗蓋板的寬度和厚度2mm，利用蓋板自重來增加窗口密封效果，如圖2所示。

圖2 新型焊接保護罩

經過多次試驗，工件的氧化程度有所減少，但焊后熱影響區仍然存在一定程度的氧化，因此如果能夠有效降低工件熱影響區的溫度以及增加熱影響區的氬氣保護，工件氧化能得到進一步改善。

3.2 裝夾散熱工裝的應用

1—滑動墊片 2—螺釘1 3—螺釘2 4—底座

為降低工件熱影響區的溫度，設計了一種焊接搭接結構管路的裝卡防護工裝，工裝材料為紫銅，散熱性能好，主要包括底座、滑動墊片、螺釘等零件，如圖3所示。底座小直徑一端為三爪裝卡端，大直徑一端為裝卡焊接組件端，小端和大端相交端面起到定位作用，底座大端端面開T型槽，槽深和槽寬與焊接管座的尺寸相配，槽寬配合間隙為0.05mm以內，槽深和管座平臺尺寸相同。底座的中心軸線方向開有中心通孔，通孔和管座的外徑相配，配合間隙為0.02mm以內，起到放置管子、焊接組件定位和通氬氣保護內孔，避免氧化的作用，在此大端面頂端開有2個螺紋孔，目的是分別連接兩個滑動墊片。大端面的側面也開有螺紋孔，起到固定焊接組件的作用。滑動墊片為半圓形，外徑盡量與底座大端外徑相同，并開有裝螺釘的通孔，此通孔比螺紋孔大0.10mm以上，便于裝卡，通過螺釘把滑動墊片和底座連接成一個整體，此種結構適用于各種結構的管路裝卡焊接，保證焊縫外觀和內部質量。管路裝卡如圖4所示。

通過試驗，使用裝卡散熱工裝彌補搭接焊縫結構的不足，能夠更好地避免焊接過程中保護罩中殘余空氣到熱影響區，同時紫銅的良好散熱性能能夠有效控制焊接熱影響區氧化，如圖5所示，此工裝很容易裝卡找正，裝卡方便，一定程度上提高焊接工作效率。

a 鈦合金對比圖 b 不銹鋼對比圖

4 結束語

新型TIG焊保護罩以及裝夾散熱工裝的應用，能夠有效控制工件焊后氧化，同時，該裝卡散熱工裝使工件裝卡找正更加方便，提高了焊接工作效率，節約了成本，縮短了生產周期。

1 彭尚宇，李麗紅，吳發郎，等. 不銹鋼小徑管背面免充氬TIG焊工藝[J]. 焊接技術，2005，34(8)：72～73

2 王文平，張志偉，黎月明，等. 一種裝卡工裝及采用該裝卡工裝進行毛細管路焊接的方法.中國, CN201510271969.7[P]. 2015-10-14

3 王文平，張志偉，黎月明，等. 一種搭接結構管路氬弧焊防護工裝：中國，CN201520733591.3[P]. 2016-3-30

Study on Control Oxidation Process of Pipeline Assembly in TIG Welding

Wang Wenping Jia Chunlin Zhang Kuan Xie Jixiang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In order to solve the problem of oxidation of titanium alloy and stainless steel pipe assembly for satellite in TIG welding, the new welding protective cover is adopted to improve the sealing of the protective cover and the purity of argon in the hood, and reduce the oxidation. On this basis, The welding dissipation tooling is designed，so that it can reduce the temperature of the heat affected zone and the argon gas out of the welding torch can stay for a short time around the molten zone. The welding oxidation can be effectively controlled, which will reduce the production cost and improve the welding quality of the product.

argon arc welding；oxidation；process；tooling

王文平（1985），碩士，材料科學與工程專業；研究方向：航天器產品的真空電子束焊、鎢極氬弧焊、真空釬焊以及熱處理等。

2017-10-07